一种型号专用电源转换器快速检定系统的研制

闵忠，卢瑜，马明康

(四川航天计量测试研究所，四川成都610100)

0 引言

依据Q/W 892A-2007《电源转换器检定规程》的要求，需检定电源转换器极性及工作正常性、电气强度、绝缘电阻、拔出力等项目［1］。传统方式是采用人工手动检定，由于电源转换器孔位多，且需在各极间转换检定相关项目，检定所需时间长、效率低［2］。本文针对极性及工作正常性、电气强度、绝缘电阻和拔出力四个主要检定项目，设计型号专用电源转换器快速检定系统，以实现电源转换器的快速自动检定。

1 快速检定系统原理和设计

型号专用电源转换器快速检定系统由拔出力检定装置和电参数检定装置组成，以实现电源转换器极性及工作正常性、电气强度、绝缘电阻、拔出力四个主要常规检定项目的快速检定，其它常规检定项目如标志、外观检查和防误插等采用目视法进行检查。极性及工作正常性、电气强度和绝缘电阻三个电参数检定项目由计算机通过电参数检定装置中的多功能智能转换开关实现自动检定;拔出力检定装置由计算机控制，拔出力检查结果和其它目视法检定项目的结果通过人工录入到系统软件，检定完成后自动处理检定结果，并按规定格式生成原始记录和证书报告。其原理框图如图1所示。

1.1 拔出力检定装置设计

拔出力检定装置依据规程规定的量规法原理进行设计，量规法规定使用特制量规(专用砝码)对拔出力进行检定，特制量规(专用砝码)轴线垂直于插座表面。采用人工检定时，需将插孔朝下，将特制量规(专用砝码)插入插座，且将插座水平放置在支撑台面上。本系统设计的拔出力检定装置对量规法进行了改进，设计符合规程要求的特制量规(专用砝码)，利用电机驱动运动机构，实现特制量规的自动插入和拔出，且可按照电源转换器的孔位数目同时进行插拔，同时进行单插销最小拔出力和多插销最大拔出力的检定，免除人工插拔，提高了检定效率。拔出力检定装置示意图如图2所示。

图1 型号专用电源转换器快速检定系统原理框图

图2 拔出力检定装置示意图

拔出力检定装置主要由基座、支撑机构、运动机构、安装固定机构、电机及驱动、单插销拔出力量规(专用砝码)和多插销拔出力量规(专用砝码)等组成。步进电机转动，带动滚珠丝杠副转动，使得整个运动机构实现向上和向下运动。

检定时，计算机发出指令控制电机转动，通过滚珠丝杠副传动到运动机构，运动机构推动单插销拔出力量规(专用砝码)和多插销拔出力量规(专用砝码)向上运行，当运行到上限位紧固块时，电机停止转动，运动机构停留在该位置。然后，由检定人员将被检电源转换器插入单插销拔出力量规(专用砝码)的插头内，利用安装固定机构将电源转换器固定在支撑面上。电机向下运行，拔出插头，然后，电机再次向上运行，往返进行5 次插拔后。电机再次向下运行，当运行到单插销拔出力量规(专用砝码)和多插销拔出力量规(专用砝码)处于非受力状态，电机暂停运动，30 s 后，如插头未从插座内掉出，则单插销最小拔出力合格。随后，电机继续向下运行，单插销拔出力量规(专用砝码)与砝码块连接上后，插座上受力为多插销拔出力量规(专用砝码)的重力，此时，插头迅速从插座掉下，则多插销拔出力合格，整个拔出力检定过程结束。

1.2 电参数检定装置设计

电参数检定装置主要由耐压测试仪GPI745A［3-4］(电气强度测试仪器)、数字多用表2010［5］(极性及工作正常性测试仪器)、高阻计6517A［6］(绝缘电阻测试仪器)和多功能智能转换开关组成。计算机通过IEEE488 接口分别控制数字多用表、耐压测试仪和高阻计，实现上述三个项目的检定。设计多功能智能转换开关，通过转换开关实现在电源转换器的“L”，“N”，“E”和外壳间连线的自动转换，不需要人工进行繁琐的接线工作，从而实现电参数检定项目的快速检定。电参数检定装置原理框图如图1 左下方所示。

1)极性及工作正常性检定要求电源转换器上插头的3 个插销和每一个插座的3 个插座的极性必须满足左边为零线，右边为火线和中间为地线的要求，电源转换器插头和每一个插座极性对应的插销和插套之间可靠连接，导通电阻需小于0.5 Ω。

2)绝缘电阻检定是测量“L”，“N”，“E”和外壳间的绝缘电阻是否大于500 MΩ，大于则合格。

3)电气强度检定是测试“L”，“N”，“E”和外壳间的抗电性能是否合格。

2 关键技术

为提高系统的自动化程度，实现快速检定的目的，着重解决了拔出力检定装置机械设计和多功能智能转换开关设计技术。

2.1 拔出力检定装置机械设计

拔出力检定装置设计的关键在于对规程中的量规法进行了革新，将电机驱动技术与量规法检定原理相结合，合理巧妙地设计支撑机构和运动机构。支撑机构固定在基座上，运动机构与支撑机构采用同轴套筒的形式，即运动机构的运动轴套在支撑轴外。分别使用上下限位紧固块进行限位，以控制上下的总行程，限位紧固块的位置可调整，方便调试和使用。在限位紧固块和运动机构间使用弹簧支撑，使得支撑和运行机构间运动平滑稳定，并且对共计重达300 N 的特制量规(专用砝码)同时掉下起到有效的缓冲作用。

运动机构需带动拔出力特制量规(专用砝码)实现插拔操作，还需确保单插销拔出力量规(专用砝码)和多插销拔出力量规(专用砝码)在检定时垂直向下，并且与运动机构不能有任何受力。为此，运动机构的设计有以下两个关键点:

1)单插销拔出力量规(专用砝码)与运动机构的传力部分设计为倒圆锥形。倒圆锥形使得插头需要插入插座时，可通过倒圆锥形的上部传力，实现插入的动作。当插头插入插座后，运动机构向下运行很小的距离，运动机构与圆锥上面部分脱离，而圆锥下部由于体积小，与运动机构没有任何接触，确保了电源转换器插座承受的力只有单插销拔出力量规(专用砝码)自身的重力。

2)为了实现单插销最小拔出力和多插销最大拔出力的快速检定，避免更换最小拔出力和最大拔出力特制量规(专用砝码)。系统设计的多插销拔出力量规(专用砝码)由单插销拔出力量规(专用砝码)和下端放置在运动机构上的砝码块组成。因此，需要实现单插销拔出力量规在检定最小拔出力时与下面的砝码块处于非受力状态。系统设计了一套专用的联接轴，空心圆柱体工件和螺母工件组成。空心圆柱体固定在砝码块上，圆柱体上部设计一圆孔，圆柱体与单插销拔出力量规(专用砝码)的联接通过一个类似螺母的工件，螺母穿过圆孔固定在单插销拔出力量规(专用砝码)上。插头插入插座后，螺母与圆柱体不接触，插座受力只有单插销最小拔出力。当电机向下运行，螺母和圆柱体接触并受力，使得插座受力为单插销拔出力量规(专用砝码)与砝码块的重力相加，等于规程所要求的多插销拔出力力值。

特制量规(专用砝码)的设计是拔出力检定装置的另一个难点。由于受电源转换器孔位间的尺寸限制，需要准确计算不规则工件的重量，且能够像砝码一样对重量进行适当调整。多插销量规(专用砝码)采用了中空的机构，采用密度很大的铅作为填充物，且易于调整其重量。单插销量规(专用砝码)也可在连接处通过注入或取出铅进行重量微调。

2.2 多功能智能转换开关设计

系统检定极性及工作正常性、电气强度和绝缘电阻三个主要常规检定项目，需要在“L”，“N”，“E”和外壳间转换，采用人工接线费时费力。以对6 个孔位电源转换器进行极性及工作正常性检定为例，需要进行48 次接线。由于检定上述三个项目，需测量电阻很小的导通电阻，又需要测量超过数百兆的高值电阻，还需要通过高达两千伏的电压，市购的转换开关无法满足。为此，系统设计了专用的多功能智能转换开关，实现在“L”，“N”，“E”以及外壳间自动切换。通过利用转换开关，检定一个6 孔位的电源转换器导通电阻只需插拔6 次即可。

检定极性及工作正常性时，将插头直接插入插座，通过电磁继电器分别选通插头和插座的“L”，“N”和“E”极进行导通电阻测量。为了接线简单快捷，实现快速检定，采用两线式接线。为了避免电磁继电器的接触电阻引入误差，使用接触导通电阻重复性好的电磁继电器，对其引入的电阻通过软件加以修正，并对修正值定期进行核验。极性及工作正常性检定选通原理图如图3所示。

图3 极性及工作正常性检定选通原理图

继电器1 和继电器4 通，选通插头L 和插座L，测量之间的导通电阻;继电器2 和继电器5 通，选通插头N 和插座N;继电器3 和继电器6 通，选通插头E 和插座E。

为了通过2 kV 的高电压，系统选用了真空继电器作为选通开关。由于测量绝缘电阻的原理也是施加数百伏的电压在被测物上，通过测量电流再计算出相应的电阻值。因此，电气强度检定和绝缘电阻检定可以共用选通电路。系统设计时，为避免电气强度检定和绝缘电阻检定间的相互影响，增加了两只真空继电器分别选通耐压测试仪GPI745A 和高阻计6517A 的正负极。真空继电器所需的驱动电流约150 mA，电压为24 V，系统采用了继电器二级选通的方式，首先选通电磁继电器，再由电磁继电器选通相对应的真空继电器。原理图如图4所示。

图4 电气强度和绝缘电阻检定选通原理图

由于耐压测试仪器和绝缘测试仪器的技术指标都高于规程要求的3 倍以上，且测试的电压高达2 kV，测试电阻最小达数百兆，因此，转换开关及其引线的影响可不予考虑。但检定规程要求导通电阻小于0.5 Ω，因此继电器导通的接触电阻和连接线引入的电阻将影响检定结果。为此，将测量端分别短接，测出引入电阻的值，使用平均值对测量结果进行修正。引入电阻测量值见表1。

表1 转换开关引入电阻值

3 软件设计

3.1 系统主程序

系统主程序是人机交互的界面，依据检定规程进行设计，突出自动、快速、智能的特点，操作简单方便，可在主界面下完成一次检定的全部操作。主程序流程图如图5所示。

3.2 电参数检定软件

极性及工作正常性、电气强度和绝缘电阻三个检定项目，由计算机通过GPIB 接口卡控制数字多用表、耐压测试仪和高阻计进行检定，每台仪器设定不同的GPIB 地址，分别为21，23，22。三个检定项目的流程基本相似，以极性及工作正常性为例，如图6所示。

图5 系统主程序流程图

4 试验验证

系统用于快速检定型号专用电源转换器，试验验证主要有两方面，一是检定所需花费的时间，二是人工检定与使用检定系统检定结果的比较验证。人工检定一只型号专用电源转换器的时间约80 min，而采用快速检定系统进行检定，不足20 min 即可完成，且降低了劳动强度，提高了检定效率。

图6 极性及工作正常性检定流程图

在满足规程要求的环境条件下，使用相同的测试设备，对同一只型号专用电源转换器，分别采用人工和快速检定系统进行5 次检定。两种方式5 次检定所有检定项目均合格。本文将具有测试数据的导通电阻和绝缘电阻的部分检定结果进行验证，表2 是对导通电阻检定数据的验证，表3 给出了绝缘电阻检定数据验证。

表2 导通电阻检定数据验证

表3 绝缘电阻检定数据验证

表2 和表3 的检定数据表明，人工检定与本文设计的快速检定系统检定的数据基本相同，系统检定数据重复性略优于人工检定数据，符合规程的要求。

5 结论

在研制的电源转换器快速检定系统中，设计了专用拔出力检定装置，可同时对多个孔位进行单插销最小拔出力和多插销最大拔出力的检定;设计了多功能智能转换开关，实现对极性及工作正常性、电气强度和绝缘电阻等主要检定项目进行自动检定的转换功能;对采用目视法检定的项目，检定结果由人工录入系统软件，系统自动处理检定结果，并按规定格式自动出具原始记录和证书报告。通过试验验证，人工检定和系统检定的数据基本相同，所研制的检定系统实现了对型号专用电源转换器的快速检定。

［1］Q/W 892A-2007 电源转换器检定规程［S］.

［2］弓振宇，仲志新，吴小华.航空电源转换器功能检测系统软硬件设计［J］.计测技术，2005，25(4):49-51.

［3］GPI/GPT SERIES PROGRAMMABLE EST PROGRAMMER MANUAL［M/OL］.［2012-12-20］.http://www.docin.com/p-55434489.html.

［4］电子安规测试器使用手册［M/OL］.［2012-12-20］.http://www.docin.com/p-96578360.html.

［5］Keithley Instrument Inc.Model 2010 Multimeter User's Manual［Z］.Fifth Printing.2003.

［6］Keithley Instrument Inc.Model 6517 Electrometer User's Manual［Z］.Fourth Printing.1995.